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Francisco T, Pedrosa AG, Rodrigues TA, Abalkhail T, Li H, Ferreira MJ, van der Heden van Noort GJ, Fransen M, Hettema EH, Azevedo JE. Noncanonical and reversible cysteine ubiquitination prevents the overubiquitination of PEX5 at the peroxisomal membrane. PLoS Biol 2024; 22:e3002567. [PMID: 38470934 PMCID: PMC10959387 DOI: 10.1371/journal.pbio.3002567] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/07/2023] [Revised: 03/22/2024] [Accepted: 02/27/2024] [Indexed: 03/14/2024] Open
Abstract
PEX5, the peroxisomal protein shuttling receptor, binds newly synthesized proteins in the cytosol and transports them to the organelle. During its stay at the peroxisomal protein translocon, PEX5 is monoubiquitinated at its cysteine 11 residue, a mandatory modification for its subsequent ATP-dependent extraction back into the cytosol. The reason why a cysteine and not a lysine residue is the ubiquitin acceptor is unknown. Using an established rat liver-based cell-free in vitro system, we found that, in contrast to wild-type PEX5, a PEX5 protein possessing a lysine at position 11 is polyubiquitinated at the peroxisomal membrane, a modification that negatively interferes with the extraction process. Wild-type PEX5 cannot retain a polyubiquitin chain because ubiquitination at cysteine 11 is a reversible reaction, with the E2-mediated deubiquitination step presenting faster kinetics than PEX5 polyubiquitination. We propose that the reversible nonconventional ubiquitination of PEX5 ensures that neither the peroxisomal protein translocon becomes obstructed with polyubiquitinated PEX5 nor is PEX5 targeted for proteasomal degradation.
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Affiliation(s)
- Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Ana G. Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Tony A. Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Tarad Abalkhail
- School of Biosciences, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom
| | - Hongli Li
- Laboratory of Peroxisome Biology and Intracellular Communication, Department of Cellular and Molecular Medicine, Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, Belgium
| | - Maria J. Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | | | - Marc Fransen
- Laboratory of Peroxisome Biology and Intracellular Communication, Department of Cellular and Molecular Medicine, Katholieke Universiteit Leuven, Leuven, Belgium
| | - Ewald H. Hettema
- School of Biosciences, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom
| | - Jorge E. Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
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Ferreira MJ, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Silva AR, Vilarinho BG, Francisco T, Azevedo JE. Glutathione and peroxisome redox homeostasis. Redox Biol 2023; 67:102917. [PMID: 37804696 PMCID: PMC10565873 DOI: 10.1016/j.redox.2023.102917] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/28/2023] [Revised: 09/28/2023] [Accepted: 10/02/2023] [Indexed: 10/09/2023] Open
Abstract
Despite intensive research on peroxisome biochemistry, the role of glutathione in peroxisomal redox homeostasis has remained a matter of speculation for many years, and only recently has this issue started to be experimentally addressed. Here, we summarize and compare data from several organisms on the peroxisome-glutathione topic. It is clear from this comparison that the repertoire of glutathione-utilizing enzymes in peroxisomes of different organisms varies widely. In addition, the available data suggest that the kinetic connectivity between the cytosolic and peroxisomal pools of glutathione may also be different in different organisms, with some possessing a peroxisomal membrane that is promptly permeable to glutathione whereas in others this may not be the case. However, regardless of the differences, the picture that emerges from all these data is that glutathione is a crucial component of the antioxidative system that operates inside peroxisomes in all organisms.
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Affiliation(s)
- Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Ana R Silva
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
| | - Beatriz G Vilarinho
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
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Ferreira MJ, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Gales L, Salvador A, Francisco T, Azevedo JE. The mammalian peroxisomal membrane is permeable to both GSH and GSSG - Implications for intraperoxisomal redox homeostasis. Redox Biol 2023; 63:102764. [PMID: 37257275 DOI: 10.1016/j.redox.2023.102764] [Citation(s) in RCA: 7] [Impact Index Per Article: 7.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/01/2023] [Revised: 05/14/2023] [Accepted: 05/24/2023] [Indexed: 06/02/2023] Open
Abstract
Despite the large amounts of H2O2 generated in mammalian peroxisomes, cysteine residues of intraperoxisomal proteins are maintained in a reduced state. The biochemistry behind this phenomenon remains unexplored, and simple questions such as "is the peroxisomal membrane permeable to glutathione?" or "is there a thiol-disulfide oxidoreductase in the organelle matrix?" still have no answer. We used a cell-free in vitro system to equip rat liver peroxisomes with a glutathione redox sensor. The organelles were then incubated with glutathione solutions of different redox potentials and the oxidation/reduction kinetics of the redox sensor was monitored. The data suggest that the mammalian peroxisomal membrane is promptly permeable to both reduced and oxidized glutathione. No evidence for the presence of a robust thiol-disulfide oxidoreductase in the peroxisomal matrix could be found. Also, prolonged incubation of organelle suspensions with glutaredoxin 1 did not result in the internalization of the enzyme. To explore a potential role of glutathione in intraperoxisomal redox homeostasis we performed kinetic simulations. The results suggest that even in the absence of a glutaredoxin, glutathione is more important in protecting cysteine residues of matrix proteins from oxidation by H2O2 than peroxisomal catalase itself.
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Affiliation(s)
- Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Luís Gales
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Armindo Salvador
- Coimbra Chemistry Center-Institute of Molecular Sciences (CQC-IMS), University of Coimbra, 3004-535, Coimbra, Portugal; CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, 3004-504, Coimbra, Portugal; Institute for Interdisciplinary Research, University of Coimbra, 3030-789, Coimbra, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
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Pedrosa AG, Reglinski K, Lismont C, Kors S, Costello J, Rodrigues TA, Marques M, Linka N, Argyriou C, Weinhofer I, Kocherlakota S, Riccio V, Ferreira V, Di Cara F, Ferreira AR, Francisco T, Azevedo JE, Ribeiro D. Peroxisomes : novel findings and future directions. Histochem Cell Biol 2023; 159:379-387. [PMID: 37160800 PMCID: PMC10170047 DOI: 10.1007/s00418-023-02201-9] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Accepted: 04/20/2023] [Indexed: 05/11/2023]
Affiliation(s)
- Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Katharina Reglinski
- MRC Human Immunology Unit, MRC Weatherall Institute of Molecular Medicine, University of Oxford, Headley Way, Oxford, OX3 9DS, UK
- Leibniz-Institute of Photonic Technologies, Albert-Einstein Strasse 9, 07745, Jena, Germany
- Institute of Applied Optic and Biophysics, Friedrich-Schiller University Jena, Max-Wien-Platz 1, 07743, Jena, Germany
- University Hospital Jena, Bachstraße 18, Jena, Germany
| | - Celien Lismont
- Laboratory of Peroxisome Biology and Intracellular Communication, Department of Cellular and Molecular Medicine, KU Leuven, Leuven, Belgium
| | - Suzan Kors
- College of Life and Environmental Sciences, Biosciences, University of Exeter, Exeter, UK
| | - Joseph Costello
- College of Life and Environmental Sciences, Biosciences, University of Exeter, Exeter, UK
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Mariana Marques
- Institute of Biomedicine - iBiMED & Department of Medical Sciences, University of Aveiro, Aveiro, Portugal
| | - Nicole Linka
- Institute of Plant Biochemistry, Heinrich Heine University, Düsseldorf, Germany
| | | | - Isabelle Weinhofer
- Department of Pathobiology of the Nervous System, Center for Brain Research, Medical University of Vienna, Vienna, Austria
| | | | - Victoria Riccio
- Cell Biology Department, Hospital for Sick Children, Toronto, Canada
- Department of Biochemistry, University of Toronto, Toronto, Canada
| | - Vanessa Ferreira
- Institute of Biomedicine - iBiMED & Department of Medical Sciences, University of Aveiro, Aveiro, Portugal
| | - Francesca Di Cara
- Department of Microbiology and Immunology, Dalhousie University, Halifax, NS, Canada
- Department of Pediatrics, Nova Scotia Health Authority IWK, Halifax, NS, Canada
| | - Ana Rita Ferreira
- Institute of Biomedicine - iBiMED & Department of Medical Sciences, University of Aveiro, Aveiro, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal.
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal.
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
| | - Daniela Ribeiro
- Institute of Biomedicine - iBiMED & Department of Medical Sciences, University of Aveiro, Aveiro, Portugal.
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Pedrosa AG, Francisco T, Rodrigues TA, Ferreira MJ, van der Heden van Noort GJ, Azevedo JE. The Extraction Mechanism of Monoubiquitinated PEX5 from the Peroxisomal Membrane. J Mol Biol 2023; 435:167896. [PMID: 36442669 DOI: 10.1016/j.jmb.2022.167896] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 6.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/14/2022] [Revised: 11/19/2022] [Accepted: 11/21/2022] [Indexed: 11/27/2022]
Abstract
The AAA ATPases PEX1•PEX6 extract PEX5, the peroxisomal protein shuttling receptor, from the peroxisomal membrane so that a new protein transport cycle can start. Extraction requires ubiquitination of PEX5 at residue 11 and involves a threading mechanism, but how exactly this occurs is unclear. We used a cell-free in vitro system and a variety of engineered PEX5 and ubiquitin molecules to challenge the extraction machinery. We show that PEX5 modified with a single ubiquitin is a substrate for extraction and extend previous findings proposing that neither the N- nor the C-terminus of PEX5 are required for extraction. Chimeric PEX5 molecules possessing a branched polypeptide structure at their C-terminal domains can still be extracted from the peroxisomal membrane thus suggesting that the extraction machinery can thread more than one polypeptide chain simultaneously. Importantly, we found that the PEX5-linked monoubiquitin is unfolded at a pre-extraction stage and, accordingly, an intra-molecularly cross-linked ubiquitin blocked extraction when conjugated to residue 11 of PEX5. Collectively, our data suggest that the PEX5-linked monoubiquitin is the extraction initiator and that the complete ubiquitin-PEX5 conjugate is threaded by PEX1•PEX6.
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Affiliation(s)
- Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Gerbrand J van der Heden van Noort
- Oncode Institute and Department of Cell and Chemical Biology, Leiden University Medical Center, Einthovenweg 20, 2333 ZC, Leiden, The Netherlands
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313 Porto, Portugal.
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Ferreira MJ, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Francisco T, Azevedo JE. A Cell-Free In Vitro Import System for Peroxisomal Proteins Containing a Type 2 Targeting Signal (PTS2). Methods Mol Biol 2023; 2643:333-343. [PMID: 36952196 DOI: 10.1007/978-1-0716-3048-8_23] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 04/27/2023]
Abstract
Cell-free in vitro systems are invaluable tools to study the molecular mechanisms of protein translocation across biological membranes. We have been using such a strategy to dissect the mechanism of the mammalian peroxisomal matrix protein import machinery. Here, we provide a detailed protocol to import proteins containing a peroxisomal targeting signal type 2 (PTS2) into the organelle. The in vitro system consists of incubating a 35S-labeled reporter protein with a post-nuclear supernatant from rat/mouse liver. At the end of the incubation, the organelle suspensions are generally treated with an aggressive protease to degrade reporter proteins that did not enter peroxisomes, and the organelles are isolated by centrifugation and analyzed by SDS-PAGE and autoradiography. This in vitro system is particularly suited to characterize the functional consequences of PEX5 and PEX7 mutations found in patients affected with a peroxisomal biogenesis disorder.
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Affiliation(s)
- Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (I3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal.
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Porto, Portugal.
- Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal.
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Barros-Barbosa A, Rodrigues TA, Ferreira MJ, Pedrosa AG, Teixeira NR, Francisco T, Azevedo JE. The intrinsically disordered nature of the peroxisomal protein translocation machinery. FEBS J 2018; 286:24-38. [PMID: 30443986 DOI: 10.1111/febs.14704] [Citation(s) in RCA: 17] [Impact Index Per Article: 2.8] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/05/2018] [Accepted: 11/14/2018] [Indexed: 12/18/2022]
Abstract
Despite having a membrane that is impermeable to all but the smallest of metabolites, peroxisomes acquire their newly synthesized (cytosolic) matrix proteins in an already folded conformation. In some cases, even oligomeric proteins have been reported to translocate the organelle membrane. The protein sorting machinery that accomplishes this feat must be rather flexible and, unsurprisingly, several of its key components have large intrinsically disordered domains. Here, we provide an overview on these domains and their interactions trying to infer their functional roles in this protein sorting pathway.
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Affiliation(s)
- Aurora Barros-Barbosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Nélson R Teixeira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Portugal
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Barros-Barbosa A, Ferreira MJ, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Grou CP, Pinto MP, Fransen M, Francisco T, Azevedo JE. Membrane topologies of PEX13 and PEX14 provide new insights on the mechanism of protein import into peroxisomes. FEBS J 2018; 286:205-222. [PMID: 30414318 DOI: 10.1111/febs.14697] [Citation(s) in RCA: 29] [Impact Index Per Article: 4.8] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/31/2018] [Revised: 10/19/2018] [Accepted: 11/07/2018] [Indexed: 01/19/2023]
Abstract
PEX13 and PEX14 are two core components of the so-called peroxisomal docking/translocation module, the transmembrane hydrophilic channel through which newly synthesized peroxisomal proteins are translocated into the organelle matrix. The two proteins interact with each other and with PEX5, the peroxisomal matrix protein shuttling receptor, through relatively well characterized domains. However, the topologies of these membrane proteins are still poorly defined. Here, we subjected proteoliposomes containing PEX13 or PEX14 and purified rat liver peroxisomes to protease-protection assays and analyzed the protected protein fragments by mass spectrometry, Edman degradation and western blotting using antibodies directed to specific domains of the proteins. Our results indicate that PEX14 is a bona fide intrinsic membrane protein with a Nin -Cout topology, and that PEX13 adopts a Nout -Cin topology, thus exposing its carboxy-terminal Src homology 3 [SH3] domain into the organelle matrix. These results reconcile several enigmatic findings previously reported on PEX13 and PEX14 and provide new insights into the organization of the peroxisomal protein import machinery. ENZYMES: Trypsin, EC3.4.21.4; Proteinase K, EC3.4.21.64; Tobacco etch virus protease, EC3.4.22.44.
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Affiliation(s)
- Aurora Barros-Barbosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Maria J Ferreira
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Cláudia P Grou
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal
| | - Manuel P Pinto
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal
| | - Marc Fransen
- Departement Cellulaire en Moleculaire Geneeskunde, KU Leuven - Universiteit Leuven, Belgium
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Portugal.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Porto, Portugal
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Pedrosa AG, Francisco T, Bicho D, Dias AF, Barros-Barbosa A, Hagmann V, Dodt G, Rodrigues TA, Azevedo JE. Peroxisomal monoubiquitinated PEX5 interacts with the AAA ATPases PEX1 and PEX6 and is unfolded during its dislocation into the cytosol. J Biol Chem 2018; 293:11553-11563. [PMID: 29884772 DOI: 10.1074/jbc.ra118.003669] [Citation(s) in RCA: 33] [Impact Index Per Article: 5.5] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/24/2018] [Revised: 05/28/2018] [Indexed: 11/06/2022] Open
Abstract
PEX1 and PEX6 are two members of the ATPases associated with diverse cellular activities (AAA) family and the core components of the receptor export module of the peroxisomal matrix protein import machinery. Their role is to extract monoubiquitinated PEX5, the peroxisomal protein-shuttling receptor, from the peroxisomal membrane docking/translocation module (DTM), so that a new cycle of protein transportation can start. Recent data have shown that PEX1 and PEX6 form a heterohexameric complex that unfolds substrates by processive threading. However, whether the natural substrate of the PEX1-PEX6 complex is monoubiquitinated PEX5 (Ub-PEX5) itself or some Ub-PEX5-interacting component(s) of the DTM remains unknown. In this work, we used an established cell-free in vitro system coupled with photoaffinity cross-linking and protein PEGylation assays to address this problem. We provide evidence suggesting that DTM-embedded Ub-PEX5 interacts directly with both PEX1 and PEX6 through its ubiquitin moiety and that the PEX5 polypeptide chain is globally unfolded during the ATP-dependent extraction event. These findings strongly suggest that DTM-embedded Ub-PEX5 is a bona fide substrate of the PEX1-PEX6 complex.
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Affiliation(s)
- Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Diana Bicho
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Ana F Dias
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Aurora Barros-Barbosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Vera Hagmann
- Interfakultäres Institut für Biochemie, Universität Tübingen, Hoppe Seyler Strasse 4, 72076 Tübingen, Germany
| | - Gabriele Dodt
- Interfakultäres Institut für Biochemie, Universität Tübingen, Hoppe Seyler Strasse 4, 72076 Tübingen, Germany
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal; Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135 Porto, Portugal.
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Dias AF, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Barros-Barbosa A, Francisco T, Azevedo JE. The peroxisomal matrix protein translocon is a large cavity-forming protein assembly into which PEX5 protein enters to release its cargo. J Biol Chem 2017; 292:15287-15300. [PMID: 28765278 DOI: 10.1074/jbc.m117.805044] [Citation(s) in RCA: 24] [Impact Index Per Article: 3.4] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/02/2017] [Revised: 07/26/2017] [Indexed: 12/18/2022] Open
Abstract
A remarkable property of the machinery for import of peroxisomal matrix proteins is that it can accept already folded proteins as substrates. This import involves binding of newly synthesized proteins by cytosolic peroxisomal biogenesis factor 5 (PEX5) followed by insertion of the PEX5-cargo complex into the peroxisomal membrane at the docking/translocation module (DTM). However, how these processes occur remains largely unknown. Here, we used truncated PEX5 molecules to probe the DTM architecture. We found that the DTM can accommodate a larger number of truncated PEX5 molecules comprising amino acid residues 1-197 than full-length PEX5 molecules. A shorter PEX5 version (PEX5(1-125)) still interacted correctly with the DTM; however, this species was largely accessible to exogenously added proteinase K, suggesting that this protease can access the DTM occupied by a small PEX5 protein. Interestingly, the PEX5(1-125)-DTM interaction was inhibited by a polypeptide comprising PEX5 residues 138-639. Apparently, the DTM can recruit soluble PEX5 through interactions with different PEX5 domains, suggesting that the PEX5-DTM interactions are to some degree fuzzy. Finally, we found that the interaction between PEX5 and PEX14, a major DTM component, is stable at pH 11.5. Thus, there is no reason to assume that the hitherto intriguing resistance of DTM-bound PEX5 to alkaline extraction reflects its direct contact with the peroxisomal lipid bilayer. Collectively, these results suggest that the DTM is best described as a large cavity-forming protein assembly into which cytosolic PEX5 can enter to release its cargo.
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Affiliation(s)
- Ana F Dias
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and.,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and.,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and.,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira 228, 4050-313 Porto, Portugal
| | - Aurora Barros-Barbosa
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and.,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and
| | - Tânia Francisco
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and.,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and
| | - Jorge E Azevedo
- From the Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S) and .,the Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen 208, 4200-135 Porto, Portugal and.,Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira 228, 4050-313 Porto, Portugal
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Francisco T, Dias AF, Pedrosa AG, Grou CP, Rodrigues TA, Azevedo JE. Determining the Topology of Peroxisomal Proteins Using Protease Protection Assays. Methods Mol Biol 2017; 1595:27-35. [PMID: 28409448 DOI: 10.1007/978-1-4939-6937-1_3] [Citation(s) in RCA: 2] [Impact Index Per Article: 0.3] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/07/2023]
Abstract
Protease protection assays are powerful tools to determine the topology of organelle proteins. Their simplicity, together with the fact that they are particularly suited to characterize endogenous proteins, are their major advantages and the reason why these assays have been in use for so many years. Here, we provide a detailed protocol to use with mammalian peroxisomes. Suggestions on how these assays can be controlled, and how to identify some technical pitfalls, are also presented.
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Affiliation(s)
- Tânia Francisco
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
| | - Ana F Dias
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Ana G Pedrosa
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Cláudia P Grou
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
| | - Tony A Rodrigues
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal
| | - Jorge E Azevedo
- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal.
- Organelle Biogenesis and Function Group, Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Universidade do Porto, Rua Alfredo Allen, 208, 4200-135, Porto, Portugal.
- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar (ICBAS), Universidade do Porto, Rua de Jorge Viterbo Ferreira, 228, 4050-313, Porto, Portugal.
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